Расчет цифровой системы импульсно–фазового управления

Размещено на http://www.allbest.ru

Содержание.

Введение

1. Функциональная схема ЦСИФУ

2. Разработка принципиальных схем

2.1 Выбор АЦП

2.2 Выбор счетчика импульсов

2.3 Выбор эталонного генератора импульсов(ЭГ)

2.4 Расчет синхронизирующего устройства и выбор его элементов

2.5 Выбор расширителя импульсов

2.6 Выбор логических элементов

2.7 Расчет усилителя импульсов

3. Разработка схемы индикации напряжения управления на основе семисигментных светодиодных индикаторов

3.1 Выбор преобразователя

3.2 Выбор цифрового индикатора

3.3 Описание работы устройства и построение временных диаграмм, отражающих работу устройства

Заключение

Литература

Введение

Электрическая энергия вырабатывается на электрических станциях и передаётся потребителю главным образом в виде переменного трёхфазного тока промышленной частоты 50 Гц, однако как в промышленности, так и на транспорте имеются установки, для питания которых переменный ток с частотой 50 Гц не пригоден.

К числу основных видов преобразования энергии относится: выпрямление переменного тока, преобразование числа фаз, преобразование постоянного тока одного напряжение в постоянный ток другого напряжения.

Одним из элементов построения выпрямителей является тиристор, а для управления им используют систему импульсно-фазового управления (СИФУ). Изготавливая СИФУ на микросхемах, получается устройство более дешевое, требующее меньших габаритных размеров.

Целью данного курсового проекта является расчет цифровой системы импульсно - фазового управления при изменении угла управления б = 5 - 110°, для трехфазного мостового нереверсивного тиристорнго преобразователя. При разработке ЦСИФУ необходимо использовать микросхемы серии К561.

1. Функциональная схема цифровой СИФУ.

WCBAE выполняется по принципу синхронной одноканальной или многоканальной системы:

Рис.1. Функциональная схема цифровой СИФУ

На схеме показаны :

СУ - синхронизирующее устройство

Т - RS-триггер

К - ключ

ЭГ - генератор импульсов

ДУ - дифференциальный усилитель

СТ2 - двоичный счётчик

БРРИ - блок расширения и распределения импульсов

УИ - усилитель импульсов

VS - тиристор

АЦП - аналого-цифровой преобразователь

Чтобы получить минимальный угол б при максимальном напряжении управления и наоборот на входе ставится дифференциальный усилитель. С него напряжения подается на АЦП, где преобразуется в цифровой код и отправляется на запоминающие входы счетчиков СТ2. Сигнал с синхронизирующего устройства СУ появляется в очередной точке естественного открывания и переводит RS- триггер Т в единичное состояние.

Ключ К замыкается и импульсы с эталонного генератора ЭГ поступает на вход обратного отсчёта (вычитания) -1 счётчика СТ2 и уменьшает его содержимое. Когда будут очищены все двоичные разряды счётчика, т.е. на всех выходах появится 0 на входе появится импульс низкого уровня (логический ноль). Этот импульс подается на БРРИ, где расширяется до величины необходимой для открывания тиристора. Далее он подаётся на усилитель импульсов и, кроме того, подаётся на триггер и ключ размыкается.

Таким образом, угол управления определяется цифровым кодом, представленным многоразрядным двоичным числом. Это число равно числу импульсов подаваемых с ЭГ на счетчик, а фазовый сдвиг определяется временем счета.

2. Разработка принципиальных электрических схем

2.1 Выбор АЦП

АЦП представляет собой устройство для автоматического преобразования непрерывно изменяющихся во времени аналоговых величин в эквивалентные значения числовых кодов.

Выбираем минимальное число разрядов АЦП и счётчика. Так как по условию точность открывания тиристоров должна соответствовать не более то

,

,

,

где - изменение угла

Тогда х принимаем не менее 7 так как х может иметь только целые числа.

Выберем АЦП К1113ПВ1. Микросхема выполняет функцию 10 - разрядного аналого-цифрового преобразователя однополярного или биполярного входного сигнала с представлением результатов в параллельном двоичном коде.

Выберем х = 10, которая АЦП К1113ПВ1 работая в униполярном режиме, имеет 10 разрядов.

Рис.2.1. Изменение угла

Рассчитаем частоту, которую должен вырабатывать мультивибратор. АЦП К1113ПВ1 работает в биполярном режиме, тогда старший разряд выполняет функцию знака. Из девяти оставшихся будет строиться код входного напряжения и частота рассчитывается следующим образом:

,

где х - число разрядов

- диапазон изменения угла

- частота сети

Микросхемы АЦП К1113ПВ1 выпускаются в 18-выводном герметичном металлокерамическом корпусе типа 238.18-1 с вертикальным расположение выводов. По уровню входных и выходных логических сигналов АЦП сопрягаются с цифровой ЦИС ТТЛ.

Рис.2.2. Схема АЦП К1113ПВ1 работающей в униполярном режиме.

Нумерация и назначение выводов микросхемы: 1-8 - цифровые выходы ; 9 - цифровой выход (СР); 10 - напряжение источника питания Ucc1; 11 - гашение и преобразование; 12 - напряжение источника питания Ucc2; 13 - аналоговый выход; 14 - общий ( аналоговая земля); 15 - управление сдвига нуля; 16 - общий(цифровая земля); 17 - готовность данных; 18 - цифровой выход (МР).

На данном рисунке изображена АЦП с ДУ на входе. Опорное напряжение в данной АЦП задается с помощью встроено источника опорного напряжения и формируется оно при подаче напряжения питания Ucc2. Величина опорного напряжения устанавливается построечным резистором. В данном случае его величина принята 10,24 В.

2.2 Выбор счетчика импульсов

Выбираем четырёхразрядный двоичный реверсивный счётчик К155ИЕ7

Рис.2.3. Четырёхразрядный двоичный реверсивный счётчик К155ИЕ7

Особенностью данных счетчиков является их построение по синхронному принципу, т.е. все триггеры переключаются одновременно от одного тактового импульса.

Тактовые входы: для счета на увеличение Сv (вывод 5) и на уменьшение Cd (вывод 4) раздельные, прямые динамические. Поэтому состояние счетчика будет изменяться по фронту тактового импульса. Установка счетчика в нулевое состояние осуществляется подачей на вход сброса R высокого уровня напряжения, т.к. вход R прямой статический. Вход разрешения параллельной загрузки инверсный статический, поэтому управляющим сигналом является низкий уровень напряжения. Для предварительной записи определенного числа в счетчик необходимо подать его двоичный код на входы D0…D3. Для этого на вход необходимо подать низкий уровень напряжения.

Счет начнется с записанного числа по импульсам низкого уровня, подаваемым на вход Сv или Cd. Информация на выходе изменяется по фронту тактового импульса. При этом на втором на втором тактовом входе и на входе должен быть высокий уровень, а на входе R - низкий уровень напряжения. Со стояние входов D безразлично. Одновременно с каждым шестнадцатым на входе Cv импульсом на выходе (вывод 12) появляется повторяющий его выходной импульс, который может подаваться на вход Cv следующего счетчика. В режиме вычитания одновременно с каждым импульсом на входе Cd, переводящим счетчик в состояние 15, на выходе (вывод 13) появляется выходной импульс. Т.е. от выводов и берутся тактовые сигналы переноса и заема для последующего и от предыдущего четырехразрядного счетчика.

Дополнительной логики при последовательном соединении этих счетчиков

не требуется, т.к. выводы и предыдущей микросхемы присоединяются к выводам Cv и Cd последующей.

Входы предварительной записи и сброса R при каскадном соединении объединяются в отдельные шины.

Диаграммы работы счетчика представлены на рис.2.4., а состояние счетчика приведены в табл.1

Таблица 1.

Режим работы	Входы	Выходы
	R		Cv	Cd	D0	D1	D2	D3	Q0	Q1	Q2	Q3
Сброс	1	X	X	C	X	X	X	X	0	0	0	0	1	0
	1	X	X	1	X	X	X	X	0	0	0	0	1	1
Парал- лельная загрузка	0	0	X	0	0	0	0	0	0	0	0	0	1	0
	0	0	X	1	0	0	0	0	0	0	0	0	1	1
	0	0	0	X	1	1	1	1	1	1	1	1	0	1
	0	0	1	X	1	1	1	1	1	1	1	1	1	1
Счет на увеличе-ние	0	1	^	1	X	X	X	X	Счет на увелич.	1	1
Счет на уменьше-ние	0	1	1	^	X	X	X	X	Счет на уменьш.	1	1

Рис.2.4. Диаграммы работы счетчика.

При проектировании многоканальной ЦСИФУ будем использовать 9 счетчиков К155ИЕ7, используемых по три для каждого плеча ТП. Соединяться они будут по следующей схеме:

Рис.2.5. Схема соединения счетчиков

2.3 Выбор эталонного генератора импульсов(ЭГ)

Генератор импульсов выберем кварцевый, на логических элементах ТТЛ. На рис.2.5. приведена схема кварцевого автогенератора, выполненного на логических элементах И - НЕ:

Рис. 2.5. Кварцевый автономный генератор с ООС.

Генераторы - специальные элементы цифровых устройств, предназначенные для формирования последовательности электрических сигналов различной формы. Последовательность сигналов может быть регулярной или с прерываниями, в том числе с изменением параметров и формы электрических сигналов. Генераторы обеспечивают работу цифрового устройства во времени по закону, определяемому внутренней структурой

устройства, и характеризуется частотой сигнала, стабильностью частоты, возможностью управления частотой, формой сигнала, скважностью, видом последовательности сигналов.

2.4 Расчет синхронизирующего устройства и выбор его элементов

Необходим понижающий трансформатор, соединённый по схеме на напряжение . Трансформатор подаёт сигнал через делитель напряжения на операционные усилители DA1 и DA2.

Выбираем ОУ серии К544УД1А

Основные параметры ОУ:

Рис.2.6. Схема компаратора

Сопротивление R выбираем из условия, чтобы ограничивать ток через стабилитрон и в тоже время, чтобы не перегружать операционный усилитель, т.е. иметь нагрузку на выходе ОУ не выше допустимой.

По нагрузочной способности ОУ

Выбираем стабилитрон КС147А, его основные параметры:

Проверяем второе условие :

Анализируя условия выбора, принимаем:

2.5 Выбор расширителя импульсов

Так как при выходе со счетчика импульс оказывается очень коротким по длительности, из - за большой частоты генератора, то для получения импульса необходимого для открывания тиристора на выходе счетчиков используют расширители импульсов.

Схема выбранного расширителя импульсов на элементах И - НЕ представлена на рис. 2.7:

Рис. 2.7. Расширитель импульсов

Диаграммы работы данного устройства представлены на рис. 2.8:

Рис. 2.8. Диаграммы работы расширителя импульсов.

Длительность импульса на выходе расширителя tи определяется по формуле:

где R?1 кОм

tи = 0,5 мс

Исходя из этих условий, определим требуемую емкость конденсатора, приняв R = 560 Ом.

Принимаем стандартное значение:

2.6 Выбор логических элементов

В качестве логических элементов И-НЕ выбираем микросхему серии К155ЛА3 (4 элемента 2И-НЕ (6 шт.)):

В качестве логических элементов И выбираем микросхему серии К155ЛИ1 (4 элемента 2И (1 шт.)):

В качестве логических элементов ИЛИ-НЕ выберем микросхему К155ЛЕ4 (3 элемента 3ИЛИ-НЕ (5 шт.)):

В качестве логических элементов ИЛИ выберем микросхему К155ЛЛ1 (4 элемента 2ИЛИ (1 шт.)):



Для всех микросхем: 14 - питание, 7 - общий.

Параметры логических элементов.

Параметр	Значение
Максимальное напряжение питания , В	6
Максимальное напряжение на входе , В	5,5
Минимальное напряжение на входе , В	-0,4
Входной ток “нуля”, не более , мА	-1,6
Входной ток “единицы”, не более , мА	0,04
Выходной ток “нуля”, не более , мА	16
Выходной ток “единицы”, не более , мА	0,4
Выходное напряжение “нуля”, не более , В	0,4
Выходное напряжение “единицы”, не менее , В	2,4
Коэффициент разветвления по выходу	10
Коэффициент объединения по входу	8

2.7 Расчет усилителя импульсов

Рис.2.9. Принципиальная схема усилителя импульсов и выходного устройства

На схеме: ТИ - импульсный трансформатор с числом витков и . Отсюда :

Величина напряжения импульса:

По справочным данным находим величину тока управления для силовых тиристоров. Для тиристора Т25-7:

Приняв падение напряжения на диоде VD4 и управляющем электроде тиристора по 0,7 В определим эквивалентное значение сопротивления:

Определим значение сопротивления цепи управляющего электрода тиристора

,

где  - напряжение импульса,

величина тока управления открытия тиристора

Для ограничения тока при открывании нужно сопротивление :

Принимаем из стандартного ряда:

Выбираем VD3 по требуемому напряжению стабилизации 12 В. По справочнику выбираем стабилитрон: Д815Д:

Выбираем VD4 по прямому и обратному напряжению с коэффициентом запаса равным 2:

По справочнику выбираем VD4 - 2Д504А:



Рассчитаем параметры транзисторов:

Найдём ток в первичной обмотке трансформатора

Требуемый коэффициент передачи базового тока транзисторов VT1 и VT2:

,

где - выходной ток “И”.

Выбираем транзисторы КТ801Б со следующими параметрами:

коэффициент усиления тока базы ;

максимальный ток коллектора ;

максимальное значение напряжения между коллектором и эмиттером ;

напряжение коллектор-эмиттер при насыщении .

Пересчитываем ток базы транзистора VT1, взяв минимальное значение коэффициента усиления тока

.

Рассчитываем сопротивление R3

Принимаем R3 = 11 Ом.

Определяем величину сопротивления R1:

Принимаем R1 = 12 кОм.

где выходное напряжение элемента “И”

Для уменьшения начального тока коллектора транзистора VT2 ставим сопротивление R2 = 1,2 кОм.

Выбираем диоды VD1 - КД503А с прямым током 20 мА и обратным напряжением 30 В, VD2 - 2Д504А с прямым током 300 мА и обратным напряжением 40 В.

Рассчитаем и (задающие входной сигнал АЦП). Определим число в десятичной форме, которое будет соответствовать углу

Определим соответствующее этому числу напряжение :

,

где - диапазон возможного для АЦП изменяющегося сигнала.

Примем , тогда рассчитывается по формуле

Принимаем:

3. Разработка схемы индикации напряжения управления на основе семисигментных светодиодных индикаторов

3.1 Выбор преобразователя

Данный преобразователь выполняет функцию перевода информации из двоичного кода в двоично-десятичный. По [4] выбираем преобразователь на основе микросхемы К155 ПР7. Принцип соединения преобразователей выбираем по [5].

Рис.3.1. Цифровой преобразователь кода.

3.2 Выбор цифрового индикатора

На основе микросхемы К514 ИД1 выбираем преобразователь двоично-десятичного кода в сегментный D7-D10.

Номинальные параметры:

Напряжение питания Uпит=5 В;

Ток потребления Iпот=50 мА

Рис.3.2. Преобразователь двоично-десятичного кода в сегментный.

Порядок преобразования кодов:

Слово на индикаторе	Код на входе преобразователя (D3D2D1D0)	Код на выходе преобразователя (АBCDEFG)
1	0001	0110000
2	0010	1101101
3	0011	1111001
4	0100	0110011
5	0101	1011011
6	0110	1011111
7	0111	1110000
8	1000	1111111
9	1001	1111011
0	0000	1111110
-	1110	0000001
Ничего не высвечивается	1111	0000000

Рис.3.3. Цифровой индикатор.

На рис.3.3. изображён цифровой индикатор на светодиодах АЛС 321 А.

Параметры индикатора:

Постоянное прямое напряжение Uпр=3.6 В

Постоянный прямой ток Iпр=20 мА.

Мощность рассеяния Pрас=720 мВт

Диаграммы работы индикации.

Цифровой код (соответствующий «800») на выходе АЦП:

Рис.3.4. Цифровой код на выходе АЦП.

Цифровой код (соответствующий «8.00» ) на входе преобразователей двоично-десятичного кода в сегментный

Рис.3.5. Цифровой код на входе преобразователя двоично-десятичного кода в сегментный.

4.Описание работы устройства и построение временных диаграмм, отражающих работу устройства

Принцип работы заключается в следующем. Подавая сигнал управления на АЦП К1113ПВ1 на его выводах А0-А9, появляется двоичный код, соответствующий напряжению управления на входе АЦП, который записывается в счетчики DD39-DD47. Данный двоичный код определяется следующим выражением:

, где

Uвх.= UIRN - входное напряжение АЦП

Uоп.=10,24 - опорное напряжение АЦП

n = 10 - разрядность АЦП,

=1 или 0 - выходной сигнал низкого или высокого уровня каждого разряда.

С АЦП двоичный код в преобразователе преобразуется в двоично-десятичный код, соответствующий напряжению управления, который поступает на преобразователь двоично-десятичного кода в сегментный, управляющий работой цифровых индикаторов.

Рассмотрим работу синхронизирующего устройства. Пусть на выходе компаратора DA1 в начальный момент времени положительное напряжение (как видно из диаграмм). В точке естественной коммутации фазы “ B ” и фазы “ C “ (момент времени t1 см. диаграмму работы) компаратор переключится, и напряжение на его выходе станет отрицательным. После стабилитрона напряжение станет однополярным, т.е. равным нулю. Тогда вступает в работу ОУ DA4, который инвертирует выходной сигнал компаратора. После стабилитрона получаются однополярные сигналы. На выходе конденсатора появляется положительный импульс (в момент переключения компаратора), который подаётся на вход элемента ” ИЛИ-НЕ “ (DD6). На выходе элемента “ ИЛИ-НЕ ” появится низкий уровень сигнала, который запускает RS - триггер (DD9). На выходе триггера Q устанавливается сигнал логической единицы. Этот сигнал, попадая на ключ (построенный на логическом элементе “ И ”(DD5)) вместе с импульсами от автогенератора замыкают его.

Импульсы от кварцевого автогенератора поступают на вход -1 счётчика DD45 “ Счёт на уменьшение”. Импульсы автогенератора будут уменьшать содержимое счётчиков DD45-DD47 (отсчитывая угол ). После того как последний (старший) разряд счётчика DD47 обнулится, на его выходе ?0 появится импульс низкого уровня.

Этот импульс подаётся на расширитель импульсов, построенный на элементах DD32.1, DD32.2, где расширяется до величины достаточной для открывания тиристора. С выхода расширителя этот импульс подаётся на вход (сброс ) триггера и устанавливает его в нулевое состояние, тем самым размыкая ключ DD5.

Далее импульс, попадая на инвертор DD36, инвертируется и вместе с импульсом, который приходит с выхода конденсатора, устанавливает логический элемент “И” в состояние логической «1». Далее этот сигнал попадает на усилитель импульсов, откуда идет на тиристор. Для поддержания тиристоров в открытом состоянии предусмотрена подача сдвоенных импульсов (это реализуется с помощью элементов DD21.1, DD21.2; DD24.1, DD24.2; DD28.1, DD28.2; DD31.1, DD31.2; DD35.1, DD35.2; DD38.1, DD38.2) т.е. в после подачи на тиристор открывающего импульса через 60о на него подается повторный импульс от следующего входящего в работу тиристора. Подробнее это можно увидеть на диаграммах работы ЦСИФУ (рис.3.6). Диаграммы, отражающие работу устройства, будем строить для б = 60є.



Рис. 3.6. Диаграммы работы ЦСИФУ.

цифровая схема импульс генератор

Заключение

В данном курсовом проекте была разработана и рассчитана электрическая схема цифровой системы импульсно-фазового управления. Данная система позволяет изменять угол б в пределах 8є ч 120є при изменении напряжения управления в пределах 0 - 8 В. Схема построена на микросхемах серии К155 и имеет высокое быстродействие, малые габариты и относительную дешевизну.

Литература

Диоды: Справочник / О.П. Григорьев, В.Я. Замятин, Б.В. Кондратьев, С.Л. Пожидаев. - М.: Радио и связь, 1990. - 336 с.

Федорков Б.Г., Телец В.А., Дегтяренко В.В. Микроэлектронные цифроаналоговые и аналого-цифровые преобразователи.- М.: Радио и связь, 1984

Резисторы, конденсаторы, трансформаторы, дроссели, коммутационные устройства.: Справочник./Акимов Н.Н., Ващуков В.П., Прохоренко В.А.. Мн.:1994

Богданович М.И., И.Н. Грель, Прохоренко В.А., В.В. Шалимо цифровые интегральные микросхемы: Справочник./ -Мн.:1991

Г.И. Пухальский, Т.Я. Новосельцева Проектирование дискретных устройств на интегральных микросхемах: Справочник. - М.: Радио и связь,1990

Размещено на Allbest.ru